Расчет процесса шахтной восстановительной плавки свинцового агломерата

 

 

3.4. Расчет количества  чернового свинца

           В черновой свинец при плавке переходит некоторое количество меди,

цинка, мышьяка, сурьмы, олова, висмута, теллура и благородных  металлов.

Количество металлов примесей в черновом свинце может достигать 2–10 %.

Так как в составе свинцового агломерата не задано содержание многих примесных компонентов, поэтому  в составе чернового свинца они  условно обозначены как «прочие».

     Определяем количество свинца в черновом металле, кг:

(M_Pb)_чер = (M_Pb)_агл – (M_Pb)_шт – (M_Pb)_пыль – (M_Pb)_шл = 48 – 0 – 0,624 – 0,724 =

= 46,65.

     В черновой металл перейдет, кг:

меди (M_Сu)_чер = (M_Cu)_агл – (M_Cu)_шт – (M_Cu)_шл = 1,2 – 0 – 0,241 = 0,959,

цинка (M_Zn)_чер = (M_Zn)_агл – (M_Zn)_шт – (M_Zn)_пыль – (M_Zn)_шл =

= 5 – 0– 0,25 – 4,5 = 0,25;

прочих (M_пр)_чер = (M_пр)_агл – (M_пр)_шт – (M_пр)_пыль – (M_пр)_шл =

= 5,58 – 0 – 0,268 – 0,552 = 4,76.

     Масса чернового свинца составит:

46,65 + 0,959 + 0,25 + 4,76 = 52,619 кг.

 

 

Таблица 4 – Распределение  свинца по продуктам плавки

Продукты плавки	Количество
	кг	%
Черновой свинец	46,65	97,2
Штейн	0	0
Пыль	0,624	1,3
Шлак	0,724	1,5
Итого	47,998	100

 

Таким образом, прямое извлечение свинца в черновой металл равно 97,2 %.

3.5. Расчет горения кокса и количества отходящих газов

     Кокс в процессе плавки выполняет роль топлива и восстановителя. При взаимодействии углерода кокса с кислородом образуется оксид и диоксид углерода. Оксид углерода (СО) является основным восстановителем в процессе плавки свинцового агломерата. В задании предусмотрен 10 %-ый расход кокса. Состав кокса представлен в табл. 5.

 

Таблица 5 – Химический состав кокса

Компоненты	С	Н	S	O	N	Зола	Всего
Содержание, %	86,5	0,4	0,5	1,4	1,2	10	100
Количество, кг	8,65	0,04	0,05	0,14	0,12	1	10

 

     Определяем теоретическое количество воздуха, необходимое для горения кокса.

     Принимаем в расчетах следующее распределение углерода: 40 % угле-

рода кокса взаимодействует  с кислородом по реакции (1), а 60 % углерода – по реакции (2).

     По реакции (1) сгорает углерода: 8,65∙0,4 = 3,46 кг. Для этого необходимо затратить кислорода: 3,46∙32/12 = 9,23 кг. В результате образуется диоксида углерода СО₂: 3,46 + 9,23 = 12,69 кг.

     По реакции (2) окисляется углерода 8,65∙0,6 = 5,19 кг. Для этого потребуется кислорода 5,19∙16/12 = 6,92 кг, и получится оксида углерода СО: 5,19 + 6,92 = 12,11 кг.

     Для сжигания водорода кокса по реакции Н₂ + 0,5О₂ = Н₂О

потребуется кислорода 0,04∙16/2 = 0,32 кг, и образуется паров воды (Н₂О) в количестве: 0,04 + 0,32 = 0,36 кг.

     Для сжигания серы кокса по реакции S + O₂ = SO₂

потребуется кислорода: 0,05∙32/32 = 0,05 кг. При этом образуется диоксида серы SO₂ в количестве: 0,05 + 0,05 = 0,1 кг.

     Учитывая, что в коксе содержится 0,14 кг активного кислорода, теоретический расход кислорода на сжигания 10 кг кокса составит:

9,23 + 6,92 + 0,32 + 0,05 – 0,14 = 16,38 кг.

     Тогда воздуха для сжигания кокса потребуется (содержание кислорода

в воздухе 23 % мас.): 16,38/0,23 = 71,22 кг. На практике используют 5%-й избыток воздушного дутья, получаем практический расход воздуха, равный 71,22∙1,05 = 74,78 кг.

     В этом количестве воздуха содержится , кг:

     кислорода – 74,78∙0,23 = 17,2 кг;

     азота – 74,78∙0,77 = 57,58 кг.

     Определяем количество кислорода переходящее в газовую фазу, кг:

17,2 – 16,38 = 0,82 кг.

     Из кокса в газовую фазу перейдет азота 0,12 кг. Общее количество азота в отходящих газах составит: 57,58 + 0,12 = 57,7 кг.

 

3.6. Расчет состава и количества отходящих газов

 

     Состав отходящей газовой фазы формируется не только за счет сжигания кокса, но и за счет восстановительных процессов, протекающих с компонентами агломерата и за счет десульфуризации. Десульфуризация при плавке составляет 20 %. В результате десульфуризации в газовую фазу перейдет серы: 2,0∙0,2 = 0,4 кг.

     Десульфуризация свинцового агломерата в условиях восстановительной плавки может обеспечиваться за счет протекания реакций

 

PbS + PbO = Pb + SO₂ (21)

PbS + PbSO₄ = 2Pb + 2SO₂ (22)

 

     На протекание этих реакций не требуется затрат кислорода.

     Рассчитываем количество серы, удаляемой в газовую фазу из агломерата за счет реакций (21,22). Принимаем в расчетах следующий вклад реакций в удаление серы в газовую фазу: 50% – за счет реакции (21) и 50 % – за счет реакции (22).

     Определяем количество серы, выделяющейся по уравнению (21), кг:

0,4∙0,5 = 0,2.

     Для выделения такого количества серы потребуется, кг:

     сульфида свинца – 0,2∙239,2/32 = 1,495;

     оксида свинца – 0,2∙2∙223,2/32 = 2,79.

     При этом в газовую фазу перейдет следующее количество SO₂, кг:

0,2∙64/32 = 0,4.

     Количество серы, переходящее в газовую фазу по уравнению (3.27) составит, кг: 0,4∙0,5 = 0,2.

     Для протекания реакции (22) потребуется, кг:

     сульфида свинца – 0,2∙239,2/64 = 0,75;

     сульфата свинца – 0,2∙303,2/64 = 0,95.

     При этом в газовую фазу выделится SO₂ в количестве, кг: 0,2∙64/32 = 0,4.

 

 

     Тогда общее количество SO₂ в газовой фазе, с учетом образующегося при сгорании серы кокса, составит, кг: 0,4 + 0,4 + 0,1 = 0,9 кг

     После протекания реакции (22) в агломерате остается сульфат свинца в количестве 2,91 – 0,95 = 1,98 кг. В условиях восстановительной атмосферы шахтной печи он будет взаимодействовать с оксидом углерода по реакции

 

PbSO₄ + 4CO = PbS + 4CO₂ (23)

 

     Для восстановления сульфата свинца по реакции (23) потребуется СО в количестве, кг: 1,98∙4∙28/303,2 = 0,73. При этом образуется СО₂ в количестве, кг: 1,98∙4∙44 / 303,2 = 1,15 и сульфида свинца в количестве, кг: 1,98∙239,2 / 303,2 = 1,56.

     Находим массу сульфида свинца, которая останется после протекания

реакций (1), (2), (22), (23), кг:

М_PbS = (М_PbS)_агл – (М_PbS)₍₂₁₎ – (М_PbS)₍₂₂₎ + (М_PbS)₍₂₃₎ = 2,3 – 1,495 – 0,75 + 1,56 =

1,615.

     В нашем примере сульфида свинца в продуктах плавки нет. Поэтому можно ожидать протекание реакции

 

PbS + Fe = Pb + FeS (24)

 

     Для этого потребуется следующее количество железа, кг: 1,615∙55,8/239,2 = 0,377.

     Всего потребуется металлического железа для протекания реакции (24) и для образования штейна, кг: 0,377 + 0 = 0,377.

     Металлическое железо образуется по реакции

 

FeO + CO = Fe + CO₂ (25)

 

     На образование 0,377 кг металлического железа потребуется оксида углерода 0,377∙28/55,8 = 0,19 кг. В ходе реакции в газовую фазу выделится диоксида углерода 0,377∙44/55,8 = 0,297 кг.

     По реакции (5) восстановится оксида свинца в количестве, кг:

М_PbО = (М_PbО)_агл – (М_PbО)_(пыль) – (М_PbО)_(шлак) – (М_Pb0)₍₂₁₎ = 7,75 – 0,67 – 0,156 –

– 2,79 = 4,134.

     При этом будет затрачено оксида углерода 4,134•28/223,2 = 0,518 кг и будет получено диоксида углерода 4,134•44/223,2 = 0,815 кг.

     По реакции (6) восстановится 13,32 кг феррита свинца. При этом потребуется оксида углерода: 13,32∙56/382,8 = 1,95 кг и будет получено при этом диоксида углерода: 13,32∙88/382,8 = 3,062 кг.

     По реакции (7) для восстановления 39,32 кг силиката свинца потребуется оксида углерода 39,32∙28/283,3 = 3,886 кг, при этом получено диоксида углерода: 39,32•44/283,3 = 6,107 кг.

 

     Для восстановления 12,47 кг оксида железа (III) по реакции

 

Fe₂O₃ + CO = 2FeO + CO₂ (26)

 

потребуется оксида углерода 12,47∙28/159,6 = 2,188 кг, при этом будет получено диоксида углерода 12,47 ∙44/159,6 = 3,438 кг.

     До металлического состояния восстанавливается 0,959 кг меди и 0,25 кг цинка:

 

Cu₂O + CO = 2Cu + CO₂ (27)

ZnO + CO = Zn + CO₂ (28)

 

     На восстановление меди по реакции (27) потребуется оксида углерода в количестве: 0,959∙28/127 = 0,211 кг, при этом образуется диоксида углерода в количестве: 0,959∙44/127 = 0,332 кг.

     На восстановление цинка по реакции (28) потребуется: 0,25∙28/65,4 = 0,107 кг оксида углерода, при этом образуется СО₂: 0,25∙44/65,4 = 0,168 кг.

     Количество СО в отходящих газах находим как разницу между СО, образующимся при сгорании кокса, и СО, затраченным на реакции восстановления металлов, кг: 12,11 – 0,73 – 0,19 – 0,518 – 1,95 – 3,886 – 2,188 – 0,211–0,107  = 2,33 кг.

     Количество СО₂ в газовой фазе определяем как сумму диоксида углерода, образуемого при сгорании кокса, и реакций восстановления металлов, кг:

12,11 + 1,15 + 0,297 + 0,815 + 3,062 + 6,107 + 3,438 + 0,332 + 0,168 = 27,479.

 

     Состав отходящих газов приведен в табл.6.

     Таблица 6 – Количественный и качественный состав отходящих газов

Компоненты газа	Содержание компонентов
	кг	нм3	%(объем)
CO	2,33	1,864	2,945
CO2	27,479	13,99	22,107
N2	57,7	46,16	72,942
SO2	0,9	0,3	0,474
H2O	0,36	0,4	0,632
O2	0,82	0,57	0,9
Итого	89,589	63,283	100

 

 

 

 

     Для перевода массы газа в объем используем закон Авогадро, по которому 1 г/моль любого газа при нормальных условиях (Р = 0,1 МПа и Т = 298 К) занимает объем 22,4 л (дм³) или 1 кг/моль – 22,4 м³. Тогда объем, например, СО находим по пропорции (молекулярная масса СО равна 28 ед.):

     28 кг СО – 22,4 м³,

     2,33 кг СО – х м³,                    х = 2,889∙22,4/28 = 1,864 м³.

Аналогично определяем объемы других компонентов газа.

     Рассчитываем количество кислорода, углерода, серы и водорода в отходящих газах, кг:

     в составе СО кислорода: 1,864∙16/28 = 1,065, углерода: 1,864 – 1,065 = 0,799;

     в составе СО₂ кислорода: 27,479∙32/44 = 19,985, углерода: 27,479–19,985 =

7,494;

     в составе SO₂ кислорода: 0,9∙32/64 = 0,45, серы: 0,9 – 0,45 = 0,45;

     в составе Н₂О кислорода: 0,36∙16/18 = 0,32, водорода: 0,36 – 0,32 = 0,04.

     Всего в отходящих газах содержится кислорода:

     1,065 + 19,985 + 0,45 + 0,32 + 0,82 = 22,64кг.

     Углерода в отходящих газах присутствует 0,799 + 7,494 = 8,293 кг.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

     Таблица 8 –  Годовой и суточный материальный  поток

	В год тыс.тонн	В сутки тыс.тонн
Поступило
Pb-агломерат	200	0,548
Кокс	20	0,054
Воздух	149,56	0,409
Итого	369,56	1,011
Получено
Pb-черновой	105,238	0,288
Шлак	80,48	0,220
Пыль	2,504	0,0068
Газы	181,236	0,496
Итого	369,46	1,010

 

На заданную производительность по агломерату нужно установить шахтную  печь площадью 4,5 м².

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение